一种长阵子边馈电的微带对数周期偶极天线的设计

张文涛+杨晖+稂华清

摘 要：给出了一种可作为被动天线的超宽带微带印刷对数周期偶级天线，采用渐变线馈电 实现了非平衡到平衡的转换，利用8对阵子得到了驻波2以下的8～18GHz带宽，在整个带宽内， 方向图稳定，前后比小于-20dB，增益均大于7dB，仿真结果与实测结果基本吻合，可作为超宽 带小型化被动天线使用。

关键词：微带印刷对数周期偶极天线；渐变线馈电；超宽带

中图分类号：TJ765.1；TN821+.4文献标识码：A文章编号：1673-5048（2014）01-0030-03

AGradientLineFedMicrostripLogPeriodicDipoleAntennaDesign

ZHANGWentao，YANGHui，LANGHuaqing

（ChinaAirborneMissileAcademy，Luoyang471009，China）

Abstract：Anultrawidebandmicrostripduallevellogperiodicantennaisproposedaspassiveanten na，taperlinefeedisusedtoachieveconversionfromnonequilibriumtoequilibrium，andtoget8～18 GHzbandwidthofstandingwave2followingwith8pairsofdipoles.Intheentirebandwidth，patternis stable，andbeforeafterratioislessthan-20dB，thegainisgreaterthan7dB.Thesimulationresults arebasicallyconsistentwithexperimentalresults.Thisantennacanbeusedasultrawidebandminiaturi zationpassiveantenna.

Keywords：microstriplogperiodicdipoleantenna；gradientlinefeed；ultrawideband

0 引 言

在现代复杂的电磁环境中，由于电磁干扰等 多种干扰形式的出现，单一模式的空空导弹导引 头的截获概率大大下降，其生存受到了日益严重 的威胁。近几年，多种复合模式的导引头逐渐成为 研究的热点，如主被动复合、红外与雷达双模复合 等。主被动复合导引头具有主动与被动两种工作 模式，相对应的天线为主被动复合天线，该复合天 线要求工作在不同频段，且互不影响。一般主动天 线用于导弹末制导的跟踪与截获，要求使用高增 益、低副瓣的天线，而被动天线则要求为超宽带、体积小、具有稳定增益与恒定波束，用于远距离探 测目标。本文根据被动天线的要求，设计了一种基 于渐变线平衡馈电的平面微带印刷对数周期偶极 天线（PLPDA）。

1 一般对数周期天线的设计

对数周期天线是一种非频变超宽带天线，具有 自相似结构，其电性能可在10∶1甚至更宽的频带 内基本上保持不变[1-2]。单层LPDA（log-periodic dipoleantennas）是将辐射振子和集合线分别印制 在同一块微带基板的两面，集合线是平行双线[3]， 对于传统的对数周期偶极子阵列是从短振子端馈 电亦从短振子端辐射，这虽有利于阻抗匹配，但低 频分量和高频分量在工作时走过的电距离不等， 会造成结构色散。鉴于此，本文采用在长阵子边馈 电设计，既能满足辐射不会遮挡，又可以实现宽频带工作，但这种馈电方式需要在宽频带上实现不 平衡到平衡的转换，并且阻抗转换比为1∶1[4-5]。

渐变平衡线由上下两层微带线组成，上下微 带线分别与集合线相连，集合线对天线的匹配影 响很大，也是计算等效介电常数的依据，应仔细设计和选取。由于对数周期天线属于非平衡馈电结 构，需要将非平衡结构借助巴伦转化为平衡结构， 从而实现天线的有效辐射，本文根据对数周期天 线的结构，设计了一种渐变平衡线馈电巴伦，如图 2所示。从集合线通过渐变线转换为微带线，下层 也从集合线通过渐变线转换为接地板，上下两层 的渐变线尺寸不同，上层是为了与50Ω微带线进 行匹配，而下层是为了与接地板相接。考虑到实际 加工中采用同轴线馈电，而同轴传输线是非平衡 的，这样传到天线上将引起外表面电流的辐射，为 了抑制外表面电流，采用巴伦将阵子的平衡输入 阻抗变换到非平衡的同轴线，使同轴线的外导体 没有净电流，渐变平衡线结构上下表面电流相位 相差180°，且这种平衡线结构在主模工作范围内 不随频率变化，因此该结构可以看做是一种宽带 的平面巴伦。

利用渐变平衡线从长阵子边馈电的PLPDA， 可以减小损耗传输，容易实现与其他有源或无源 平面电路的单板集成，相对于基片集成波导而言， 具有加工简单、宽带特性好等特点。

3 实测结果及分析

微带基板对阵子和集合线起到了介质加载作 用，因此，在一般LPDA的设计基础上，要根据介 电常数进行适当的修正[9]。

本文设计了覆盖了X，Ku两个波段的宽带天 线，选取基板介电常数为2.2、厚度为0.508mm 的Rogers5880板材，在满足尺寸和电性能的前提 下，选取τ为0.62，σ为0.35，根据优化确定了渐 变线及集合线的尺寸，加工实物如图3所示。对其 分别进行了S参数测试和方向图测试，测试结果 分别如图4～6所示。

4 结 论

本文利用渐变线的平衡性及宽带特性设计了 一种从长阵子边馈电的印刷平面对数周期天线，对影响天线的几个关键参数进行了分析仿真，优 化出了天线的最佳带宽参数，给出了渐变线馈电 的PLPDA天线的设计过程和测试结果，在8～18 GHz回波损耗均小于-10dB，整个频带内增益都 在7dB以上，且方向图稳定，实测结果与理论仿 真基本吻合，实测的三个频点的方向图前后比都 大于-20dB，满足被动天线要求，可作为小型化 超宽带被动天线使用。

参考文献：

[1]康行健.天线原理与设计[M].北京：国防工业出版社， 1995.

[2]魏文元，宫德明，陈必森.天线原理[M].北京：国防工 业出版社，1984.

[3]PantojaRR，SapienzaAR，MedeirosFilhoFC.AMicro wavePrintedPlanaLog-PeriodicDipoleArrayAntenna [J].IEEETransactionsonAntennasandPropagation， 1987.

[4]束咸荣.超宽带天线[J].电子工程信息，1996（12）：1-2.

[5]CampbellCK，TraboulayI，SuthersMS，etal.Designofa StriplineLog-PeriodicDiopleAntenna[J].IEEETrans actionsonAntennasandPropagation，1997.

[6]熊皓.无线电波传播[M].北京：电子工业出版社， 2000.

[7]阮成礼.超宽带天线理论与技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2006.

[8]KrausJD，MarhefkaRJ.天线[M].章文勋，译.北京： 科学出版社，2004.

[9]林昌禄.天线工程手册[M].北京：电子工业出版社，2002.

[10]张峰，杜晓燕，周东方，等.CST软件在LPDA设计中 的应用[J].计算机应用与软件，2007，24（11）：16- 17.endprint

摘 要：给出了一种可作为被动天线的超宽带微带印刷对数周期偶级天线，采用渐变线馈电 实现了非平衡到平衡的转换，利用8对阵子得到了驻波2以下的8～18GHz带宽，在整个带宽内， 方向图稳定，前后比小于-20dB，增益均大于7dB，仿真结果与实测结果基本吻合，可作为超宽 带小型化被动天线使用。

关键词：微带印刷对数周期偶极天线；渐变线馈电；超宽带

中图分类号：TJ765.1；TN821+.4文献标识码：A文章编号：1673-5048（2014）01-0030-03

AGradientLineFedMicrostripLogPeriodicDipoleAntennaDesign

ZHANGWentao，YANGHui，LANGHuaqing

（ChinaAirborneMissileAcademy，Luoyang471009，China）

Abstract：Anultrawidebandmicrostripduallevellogperiodicantennaisproposedaspassiveanten na，taperlinefeedisusedtoachieveconversionfromnonequilibriumtoequilibrium，andtoget8～18 GHzbandwidthofstandingwave2followingwith8pairsofdipoles.Intheentirebandwidth，patternis stable，andbeforeafterratioislessthan-20dB，thegainisgreaterthan7dB.Thesimulationresults arebasicallyconsistentwithexperimentalresults.Thisantennacanbeusedasultrawidebandminiaturi zationpassiveantenna.

Keywords：microstriplogperiodicdipoleantenna；gradientlinefeed；ultrawideband

0 引 言

在现代复杂的电磁环境中，由于电磁干扰等 多种干扰形式的出现，单一模式的空空导弹导引 头的截获概率大大下降，其生存受到了日益严重 的威胁。近几年，多种复合模式的导引头逐渐成为 研究的热点，如主被动复合、红外与雷达双模复合 等。主被动复合导引头具有主动与被动两种工作 模式，相对应的天线为主被动复合天线，该复合天 线要求工作在不同频段，且互不影响。一般主动天 线用于导弹末制导的跟踪与截获，要求使用高增 益、低副瓣的天线，而被动天线则要求为超宽带、体积小、具有稳定增益与恒定波束，用于远距离探 测目标。本文根据被动天线的要求，设计了一种基 于渐变线平衡馈电的平面微带印刷对数周期偶极 天线（PLPDA）。

1 一般对数周期天线的设计

对数周期天线是一种非频变超宽带天线，具有 自相似结构，其电性能可在10∶1甚至更宽的频带 内基本上保持不变[1-2]。单层LPDA（log-periodic dipoleantennas）是将辐射振子和集合线分别印制 在同一块微带基板的两面，集合线是平行双线[3]， 对于传统的对数周期偶极子阵列是从短振子端馈 电亦从短振子端辐射，这虽有利于阻抗匹配，但低 频分量和高频分量在工作时走过的电距离不等， 会造成结构色散。鉴于此，本文采用在长阵子边馈 电设计，既能满足辐射不会遮挡，又可以实现宽频带工作，但这种馈电方式需要在宽频带上实现不 平衡到平衡的转换，并且阻抗转换比为1∶1[4-5]。

渐变平衡线由上下两层微带线组成，上下微 带线分别与集合线相连，集合线对天线的匹配影 响很大，也是计算等效介电常数的依据，应仔细设计和选取。由于对数周期天线属于非平衡馈电结 构，需要将非平衡结构借助巴伦转化为平衡结构， 从而实现天线的有效辐射，本文根据对数周期天 线的结构，设计了一种渐变平衡线馈电巴伦，如图 2所示。从集合线通过渐变线转换为微带线，下层 也从集合线通过渐变线转换为接地板，上下两层 的渐变线尺寸不同，上层是为了与50Ω微带线进 行匹配，而下层是为了与接地板相接。考虑到实际 加工中采用同轴线馈电，而同轴传输线是非平衡 的，这样传到天线上将引起外表面电流的辐射，为 了抑制外表面电流，采用巴伦将阵子的平衡输入 阻抗变换到非平衡的同轴线，使同轴线的外导体 没有净电流，渐变平衡线结构上下表面电流相位 相差180°，且这种平衡线结构在主模工作范围内 不随频率变化，因此该结构可以看做是一种宽带 的平面巴伦。

利用渐变平衡线从长阵子边馈电的PLPDA， 可以减小损耗传输，容易实现与其他有源或无源 平面电路的单板集成，相对于基片集成波导而言， 具有加工简单、宽带特性好等特点。

3 实测结果及分析

微带基板对阵子和集合线起到了介质加载作 用，因此，在一般LPDA的设计基础上，要根据介 电常数进行适当的修正[9]。

本文设计了覆盖了X，Ku两个波段的宽带天 线，选取基板介电常数为2.2、厚度为0.508mm 的Rogers5880板材，在满足尺寸和电性能的前提 下，选取τ为0.62，σ为0.35，根据优化确定了渐 变线及集合线的尺寸，加工实物如图3所示。对其 分别进行了S参数测试和方向图测试，测试结果 分别如图4～6所示。

4 结 论

本文利用渐变线的平衡性及宽带特性设计了 一种从长阵子边馈电的印刷平面对数周期天线，对影响天线的几个关键参数进行了分析仿真，优 化出了天线的最佳带宽参数，给出了渐变线馈电 的PLPDA天线的设计过程和测试结果，在8～18 GHz回波损耗均小于-10dB，整个频带内增益都 在7dB以上，且方向图稳定，实测结果与理论仿 真基本吻合，实测的三个频点的方向图前后比都 大于-20dB，满足被动天线要求，可作为小型化 超宽带被动天线使用。

参考文献：

[1]康行健.天线原理与设计[M].北京：国防工业出版社， 1995.

[2]魏文元，宫德明，陈必森.天线原理[M].北京：国防工 业出版社，1984.

[3]PantojaRR，SapienzaAR，MedeirosFilhoFC.AMicro wavePrintedPlanaLog-PeriodicDipoleArrayAntenna [J].IEEETransactionsonAntennasandPropagation， 1987.

[4]束咸荣.超宽带天线[J].电子工程信息，1996（12）：1-2.

[5]CampbellCK，TraboulayI，SuthersMS，etal.Designofa StriplineLog-PeriodicDiopleAntenna[J].IEEETrans actionsonAntennasandPropagation，1997.

[6]熊皓.无线电波传播[M].北京：电子工业出版社， 2000.

[7]阮成礼.超宽带天线理论与技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2006.

[8]KrausJD，MarhefkaRJ.天线[M].章文勋，译.北京： 科学出版社，2004.

[9]林昌禄.天线工程手册[M].北京：电子工业出版社，2002.

[10]张峰，杜晓燕，周东方，等.CST软件在LPDA设计中 的应用[J].计算机应用与软件，2007，24（11）：16- 17.endprint

摘 要：给出了一种可作为被动天线的超宽带微带印刷对数周期偶级天线，采用渐变线馈电 实现了非平衡到平衡的转换，利用8对阵子得到了驻波2以下的8～18GHz带宽，在整个带宽内， 方向图稳定，前后比小于-20dB，增益均大于7dB，仿真结果与实测结果基本吻合，可作为超宽 带小型化被动天线使用。

关键词：微带印刷对数周期偶极天线；渐变线馈电；超宽带

中图分类号：TJ765.1；TN821+.4文献标识码：A文章编号：1673-5048（2014）01-0030-03

AGradientLineFedMicrostripLogPeriodicDipoleAntennaDesign

ZHANGWentao，YANGHui，LANGHuaqing

（ChinaAirborneMissileAcademy，Luoyang471009，China）

Abstract：Anultrawidebandmicrostripduallevellogperiodicantennaisproposedaspassiveanten na，taperlinefeedisusedtoachieveconversionfromnonequilibriumtoequilibrium，andtoget8～18 GHzbandwidthofstandingwave2followingwith8pairsofdipoles.Intheentirebandwidth，patternis stable，andbeforeafterratioislessthan-20dB，thegainisgreaterthan7dB.Thesimulationresults arebasicallyconsistentwithexperimentalresults.Thisantennacanbeusedasultrawidebandminiaturi zationpassiveantenna.

Keywords：microstriplogperiodicdipoleantenna；gradientlinefeed；ultrawideband

0 引 言

在现代复杂的电磁环境中，由于电磁干扰等 多种干扰形式的出现，单一模式的空空导弹导引 头的截获概率大大下降，其生存受到了日益严重 的威胁。近几年，多种复合模式的导引头逐渐成为 研究的热点，如主被动复合、红外与雷达双模复合 等。主被动复合导引头具有主动与被动两种工作 模式，相对应的天线为主被动复合天线，该复合天 线要求工作在不同频段，且互不影响。一般主动天 线用于导弹末制导的跟踪与截获，要求使用高增 益、低副瓣的天线，而被动天线则要求为超宽带、体积小、具有稳定增益与恒定波束，用于远距离探 测目标。本文根据被动天线的要求，设计了一种基 于渐变线平衡馈电的平面微带印刷对数周期偶极 天线（PLPDA）。

1 一般对数周期天线的设计

对数周期天线是一种非频变超宽带天线，具有 自相似结构，其电性能可在10∶1甚至更宽的频带 内基本上保持不变[1-2]。单层LPDA（log-periodic dipoleantennas）是将辐射振子和集合线分别印制 在同一块微带基板的两面，集合线是平行双线[3]， 对于传统的对数周期偶极子阵列是从短振子端馈 电亦从短振子端辐射，这虽有利于阻抗匹配，但低 频分量和高频分量在工作时走过的电距离不等， 会造成结构色散。鉴于此，本文采用在长阵子边馈 电设计，既能满足辐射不会遮挡，又可以实现宽频带工作，但这种馈电方式需要在宽频带上实现不 平衡到平衡的转换，并且阻抗转换比为1∶1[4-5]。

渐变平衡线由上下两层微带线组成，上下微 带线分别与集合线相连，集合线对天线的匹配影 响很大，也是计算等效介电常数的依据，应仔细设计和选取。由于对数周期天线属于非平衡馈电结 构，需要将非平衡结构借助巴伦转化为平衡结构， 从而实现天线的有效辐射，本文根据对数周期天 线的结构，设计了一种渐变平衡线馈电巴伦，如图 2所示。从集合线通过渐变线转换为微带线，下层 也从集合线通过渐变线转换为接地板，上下两层 的渐变线尺寸不同，上层是为了与50Ω微带线进 行匹配，而下层是为了与接地板相接。考虑到实际 加工中采用同轴线馈电，而同轴传输线是非平衡 的，这样传到天线上将引起外表面电流的辐射，为 了抑制外表面电流，采用巴伦将阵子的平衡输入 阻抗变换到非平衡的同轴线，使同轴线的外导体 没有净电流，渐变平衡线结构上下表面电流相位 相差180°，且这种平衡线结构在主模工作范围内 不随频率变化，因此该结构可以看做是一种宽带 的平面巴伦。

利用渐变平衡线从长阵子边馈电的PLPDA， 可以减小损耗传输，容易实现与其他有源或无源 平面电路的单板集成，相对于基片集成波导而言， 具有加工简单、宽带特性好等特点。

3 实测结果及分析

微带基板对阵子和集合线起到了介质加载作 用，因此，在一般LPDA的设计基础上，要根据介 电常数进行适当的修正[9]。

本文设计了覆盖了X，Ku两个波段的宽带天 线，选取基板介电常数为2.2、厚度为0.508mm 的Rogers5880板材，在满足尺寸和电性能的前提 下，选取τ为0.62，σ为0.35，根据优化确定了渐 变线及集合线的尺寸，加工实物如图3所示。对其 分别进行了S参数测试和方向图测试，测试结果 分别如图4～6所示。

4 结 论

本文利用渐变线的平衡性及宽带特性设计了 一种从长阵子边馈电的印刷平面对数周期天线，对影响天线的几个关键参数进行了分析仿真，优 化出了天线的最佳带宽参数，给出了渐变线馈电 的PLPDA天线的设计过程和测试结果，在8～18 GHz回波损耗均小于-10dB，整个频带内增益都 在7dB以上，且方向图稳定，实测结果与理论仿 真基本吻合，实测的三个频点的方向图前后比都 大于-20dB，满足被动天线要求，可作为小型化 超宽带被动天线使用。

参考文献：

[1]康行健.天线原理与设计[M].北京：国防工业出版社， 1995.

[2]魏文元，宫德明，陈必森.天线原理[M].北京：国防工 业出版社，1984.

[3]PantojaRR，SapienzaAR，MedeirosFilhoFC.AMicro wavePrintedPlanaLog-PeriodicDipoleArrayAntenna [J].IEEETransactionsonAntennasandPropagation， 1987.

[4]束咸荣.超宽带天线[J].电子工程信息，1996（12）：1-2.

[5]CampbellCK，TraboulayI，SuthersMS，etal.Designofa StriplineLog-PeriodicDiopleAntenna[J].IEEETrans actionsonAntennasandPropagation，1997.

[6]熊皓.无线电波传播[M].北京：电子工业出版社， 2000.

[7]阮成礼.超宽带天线理论与技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2006.

[8]KrausJD，MarhefkaRJ.天线[M].章文勋，译.北京： 科学出版社，2004.

[9]林昌禄.天线工程手册[M].北京：电子工业出版社，2002.

[10]张峰，杜晓燕，周东方，等.CST软件在LPDA设计中 的应用[J].计算机应用与软件，2007，24（11）：16- 17.endprint